JP7186504B2 - ショベル - Google Patents

Description

本発明は、ショベルに関する。

従来、油圧ショベル等の建設機械は、さまざまな環境や使われ方に適合させるため、その出力を切り替える作業モード選択機能を備えている。選択される作業モードとしては、例えば、スピード・パワー重視モード、燃費優先モード、微操作用モードがある。

オペレータが状況に合わせてスロットルボリュームを操作して、複数の作業モードから任意の作業モードを選択すると、選択された作業モードに対応した一定回転数が決定される構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－３２４５１１号公報

ところでショベルの作業において、作業負荷はフロント作業機（アタッチメント）の姿勢によって変わってくる。そのため選択した作業モードと作業負荷との間にミスマッチが発生する虞がある。

例えばスピード・パワー重視モードが選択されている際に、作業負荷のあまり掛からないアタッチメントの姿勢になっているときに過度の出力が提供されると、操作性及び燃費効率が悪化してしまう。

上記課題に鑑み、フロント作業機の姿勢に応じた最適な出力制御を行って操作性と燃費効率を向上できるショベルを提供することが望ましい。

本発明の一実施形態に係るショベルは、
下部走行体と、
前記下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、
駆動源と接続された油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油で駆動するブーム、アーム、及びエンドアタッチメントを含むフロント作業機と、
前記フロント作業機の姿勢を検出するフロント作業機姿勢検出部と、
前記フロント作業機姿勢検出部の検出値に基づいて、上部作業領域及び先端作業領域で囲まれる作業領域内における前記フロント作業機の姿勢に応じて掘削動作の後半、若しくは、掘削動作後のブーム上げ動作にて、掘削動作の前半よりも前記油圧ポンプの馬力を増加させる制御をする制御部とを有することを特徴とする。

上述の手段により、フロント作業機の姿勢に応じた最適な出力制御を行って操作性と燃費効率を向上できるショベルが提供され得る。

ショベルの側面図である。 ショベルに搭載される油圧システムの構成例を示す概略図である。 ショベルの「深掘り掘削・積込み動作」の作業流れを説明する説明図である。 実施形態に係るショベルの制御の概念を説明する説明図である。 実施形態に係るショベルの制御の概念を説明する説明図である。 実施形態に係るショベルの制御の流れを示すフローチャートである。 図３の作業流れにおけるブームの姿勢（角度）、吐出圧力、ポンプ馬力、及び吐出流量の時間的推移を示す図である。 別の実施形態に係るショベルの制御の概念を説明する説明図である。 更に別の実施形態に係るショベルの「通常の掘削・積込み動作」の作業流れを説明する説明図である。 図８の作業流れにおけるポンプ馬力の時間的推移を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。

油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体１の上に、旋回機構２を介して、上部旋回体３を旋回自在に搭載する。

上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５及びバケット６によりフロント作業機としてのアタッチメントが構成される。また、ブーム４、アーム５、バケット６は、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。ここで、図１ではエンドアタッチメントとしてのバケット６を示したが、バケット６は、リフティングマグネット、ブレーカ、フォーク等で置き換えられてもよい。

ブーム４は、上部旋回体３に対して上下に回動可能に支持されている。そして、連結点としての回動支持部（関節）には、フロント作業機姿勢検出部としてのブーム角度センサＳ１が取り付けられている。ブーム角度センサＳ１は、ブーム４の傾き角度であるブーム角度α（ブーム４を最も下降させた状態からの上昇角度）を検出できる。ブーム４を最も上昇させた状態が、ブーム角度αの最大値となる。

アーム５は、ブーム４に対して回動可能に支持されている。そして、連結点としての回動支持部（関節）には、フロント作業機姿勢検出部としてのアーム角度センサＳ２が取り付けられている。アーム角度センサＳ２は、アーム５の傾き角度であるアーム角度β（アーム５を最も閉じた状態からの開き角度）を検出できる。アーム５を最も開いた状態が、アーム角度βの最大値となる。

バケット６は、アーム５に対して回動可能に支持されている。そして、連結点としての回動支持部（関節）には、フロント作業機姿勢検出部としてのバケット角度センサＳ３が取り付けられている。バケット角度センサＳ３は、バケット６の傾き角度であるバケット角度θ（バケット６を最も閉じた状態からの開き角度）を検出できる。バケット６を最も開いた状態が、バケット角度θの最大値となる。

ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３は、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、連結ピン回りの回動角度を検出するロータリエンコーダ、加速度センサ、ジャイロセンサ等であってもよい。加速度センサとジャイロセンサの組み合わせであってもよい。操作レバーの操作量を検出する装置であってもよい。このように、フロント作業機姿勢検出部の検出値に基づいて、ブーム４の姿勢（角度）とアーム５の姿勢（角度）を含む「フロント作業機の姿勢」が把握される。また、「フロント作業機の姿勢」は、バケット６の位置や姿勢（角度）を含んでいてもよい。フロント作業機姿勢検出部はカメラであってもよい。カメラは、例えば、フロント作業機（アタッチメント）を撮影することができるように、上部旋回体３の前部に取り付けられている。カメラは、ショベルの周囲を飛行する飛行体に取り付けられたカメラであってもよく、作業現場に設置された建造物等に取り付けられたカメラであってもよい。そして、フロント作業機姿勢検出部は、撮影した画像におけるバケット６の画像の位置の変化、アーム５の画像の位置の変化等を検出し、フロント作業機の姿勢を検出する。

図２は、本実施形態に係る油圧ショベルに搭載される油圧システムの構成例を示す概略図であり、機械的動力系、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気駆動・制御系を、それぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。

本実施形態において、油圧システムは、エンジン１１によって駆動される油圧ポンプとしてのメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒから、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。

センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ内に配置された流量制御弁１５１、１５３、１５５及び１５７を連通する高圧油圧ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ内に配置された流量制御弁１５０、１５２、１５４、１５６及び１５８を連通する高圧油圧ラインである。

流量制御弁１５３、１５４は、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒが吐出する作動油をブームシリンダ７へ供給し、且つ、ブームシリンダ７内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１５５、１５６は、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒが吐出する作動油をアームシリンダ８へ供給し、且つ、アームシリンダ８内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１５７は、メインポンプ１２Ｌが吐出する作動油を旋回用油圧モータ２１で循環させるために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１５８は、メインポンプ１２Ｒが吐出する作動油をバケットシリンダ９へ供給し、且つ、バケットシリンダ９内の作動油を作動油タンクへ排出するためのスプール弁である。

レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒは、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出圧に応じてメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの斜板傾転角を調節することによって（全馬力制御によって）、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出量を制御する。具体的には、パイロットポンプ１４とレギュレータ１３Ｌ、１３Ｒとを繋ぐ管路には減圧弁５０Ｌ、５０Ｒが設けられている。減圧弁５０Ｌ、５０Ｒはレギュレータ１３Ｌ、１３Ｒに作用する制御圧をシフトさせてメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの斜板傾転角を調節する。減圧弁５０Ｌ、５０Ｒは、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出圧が所定値以上となった場合にメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出量を減少させ、吐出圧と吐出量との積で表されるポンプ馬力がエンジン１１の馬力を超えないようにする。減圧弁５０Ｌ、５０Ｒは、電磁比例弁で構成されてもよい。

アーム操作レバー１６Ａは、アーム５の開閉を操作するための操作装置である。アーム操作レバー１６Ａは、パイロットポンプ１４が吐出する作動油を利用して、レバー操作量に応じた制御圧を流量制御弁１５５の左右何れかのパイロットポートに導入させる。操作量によっては、流量制御弁１５６の左側のパイロットポートに制御圧を導入させる。

圧力センサ１７Ａは、アーム操作レバー１６Ａに対する操作者の操作内容を圧力の形で検出し、検出した値を制御部としてのコントローラ３０に対して出力する。操作内容は、例えば、レバー操作方向及びレバー操作量（レバー操作角度）である。

左右走行レバー（又はペダル）、ブーム操作レバー、バケット操作レバー及び旋回操作レバー（何れも図示せず。）はそれぞれ、下部走行体１の走行、ブーム４の上げ下げ、バケット６の開閉、及び、上部旋回体３の旋回を操作するための操作装置である。これらの操作装置は、アーム操作レバー１６Ａと同様、パイロットポンプ１４が吐出する作動油を利用して、レバー操作量（又はペダル操作量）に応じた制御圧を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁の左右何れかのパイロットポートに導入させる。また、これらの操作装置のそれぞれに対する操作者の操作内容は、圧力センサ１７Ａと同様の対応する圧力センサによって圧力の形で検出され、検出値がコントローラ３０に対して出力される。

コントローラ３０は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３、圧力センサ１７Ａ、ブームシリンダ圧センサ１８ａ、吐出圧センサ１８ｂ、ネガコン圧を検出する圧力センサ（図示せず。）等の出力を受信し、適宜にエンジン１１、レギュレータ１３Ｒ、１３Ｌ等に対して制御信号を出力する。

これにより、コントローラ３０は、例えば、ブーム４の姿勢又はアーム５の姿勢に応じてレギュレータ１３Ｌ、１３Ｒに対し制御信号を出力する。レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒは、制御信号に応じてメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量を変更し、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのポンプ馬力を制御する。

次に、図３を参照しながら深掘り掘削・積込み動作について説明する。図３（Ａ）の斜線領域は、アタッチメントの作業領域Ｎを表わす。作業領域Ｎは、上部領域Ｎｕｐと、先端領域Ｎｏｕｔを除いたエンドアタッチメントの存在領域を指す。

上部領域Ｎｕｐは、例えばブーム角度αが最大角度から１０度以内のときのエンドアタッチメントの存在領域として定められる。

先端領域Ｎｏｕｔは、例えばブーム角度αが閾値以上でありアーム角度βが最大角度から１０度以内のときのエンドアタッチメントの存在領域として定められる。したがって、コントローラ３０は、バケット６が作業領域Ｎ内にあるか否かをブーム角度αとアーム角度βから判断できる。

まず、図３（Ａ）に示すように、オペレータは作業領域Ｎ内において、ブーム下げ操作を行う。ブーム角度αが所定の閾値α_ＴＨ３以下になると、ショベルは、深掘り掘削動作が行われていると判定する。そして、オペレータは、バケット６の先端が掘削対象に関して所望の高さ位置に来るにように位置決めし、図３（Ｂ）に示すようにバケット６を開いた状態から徐々に閉じる。このとき掘削土は、バケット６内に入る。このときのショベルの動作を掘削動作と称し、この動作区間を掘削動作区間と称する。掘削動作区間に必要とされるポンプ馬力は比較的大きい。図３（Ｂ）に示すバケット６の位置を（Ｘ１）と表記し、そのときのバケット６の角度を「θ_ＴＨ」と表記する。

次に、オペレータは、バケット６の上縁を略水平にした状態で、ブーム４を上げてバケット６を図３（Ｃ）に示す位置まで上げる。図３（Ｃ）に示すバケット６の位置を（Ｘ２）と表記し、そのときのブーム４の角度を第１閾値α_ＴＨ１とする。

そして、オペレータは、図３（Ｄ）に示すように、バケット６の底部が地面から所望の高さとなるまでブーム４を上げる。所望の高さは例えばダンプの高さ以上の高さである。オペレータは、これに続いて、あるいは同時に、上部旋回体３を矢印ＡＲ１で示すように旋回させ、排土する位置までバケット６を移動させる。このときのショベルの動作をブーム上げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム上げ旋回動作区間と称する。ブーム４の上げ動作の初期においては比較的大きいポンプ馬力が必要とされ、ブーム４が上がっていくにしたがって（旋回との複合動作を含む）、必要とされるポンプ馬力は徐々に小さくなる。図３（Ｄ）に示すバケット６の位置を（Ｘ３）と表記する。

オペレータは、ブーム上げ旋回動作を完了させると、次に、図３（Ｅ）に示すようにアーム５及びバケット６を開いて、バケット６内の土を排出する。このときのショベルの動作をダンプ動作と称し、この動作区間をダンプ動作区間と称する。ダンプ動作では、オペレータはバケット６のみを開いて排土してもよい。ダンプ動作区間に必要とされるポンプ馬力は比較的小さい。図３（Ｅ）に示すバケット６の位置を（Ｘ４）と表記する。

オペレータは、ダンプ動作を完了させると、次に、図３（Ｆ）に示すように、上部旋回体３を矢印ＡＲ２で示すように旋回させ、バケット６を掘削位置の真上に移動させる。このとき、旋回と同時にブーム４を下げてバケット６を掘削対象から所望の高さのところまで下降させる。このときのショベルの動作をブーム下げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム下げ旋回動作区間と称する。ブーム下げ旋回動作区間に必要とされるポンプ馬力はダンプ動作区間に必要とされるポンプ馬力より更に低い。

オペレータは、「掘削動作」、「ブーム上げ旋回動作」、「ダンプ動作」、及び「ブーム下げ旋回動作」で構成されるサイクルを繰り返しながら、作業領域Ｎ内において深掘り掘削・積込み動作を進めていく。

本実施形態の制御の概要について図４Ａ及び図４Ｂに基づいて簡潔に説明する。

図４Ａは、図３のバケット位置（Ｘ１）～（Ｘ４）を含む空間領域とショベルの動作との関係を説明する。図４Ａに示す通り、バケット６がバケット位置（Ｘ１）から（Ｘ２）へ移動するときにバケット６は空間領域「１」に含まれ、バケット位置（Ｘ２）から（Ｘ３）へ移動するときにバケット６は空間領域「２」に含まれ、バケット位置（Ｘ３）から（Ｘ４）へ移動するときにバケット６は空間領域「３」に含まれる。ショベルはバケット位置が空間領域「１」にあるときに高いポンプ馬力を必要とし、空間領域「２」にあるときに徐々に低いポンプ馬力となる制御を必要とし、空間領域「３」にあるときに更に低いポンプ馬力を必要とする。図４Ａは、ブーム上げ旋回動作の前半でバケット６が空間領域「１」に存在し、ブーム上げ旋回動作の後半でバケット６が空間領域「２」に存在し、ダンプ動作のときにバケット６が空間領域「３」に存在することを表している。

図４Ｂは、空間領域「１」～空間領域「３」における制御の概要を説明する。縦軸はメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量Ｑ、横軸はメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出圧力Ｐを示している。グラフ線ＳＰは、スピード・パワー重視のＳＰモードにおける吐出流量と吐出圧力との関係を示している。グラフ線Ｈは、燃費優先のＨモードにおける吐出流量と吐出圧力との関係を示している。グラフ線Ａは、微操作に適したＡモードにおける吐出流量と吐出圧力との関係を示している。グラフ線Ｍは本実施形態における吐出流量と吐出圧力との関係を示している。

従来は作業モードが決定されると、レギュレータ１３Ｒ、１３Ｌにより、斜板傾転角は、吐出流量と吐出圧力との関係が図示例のグラフ線となるように制御される。

例えばグラフ線ＳＰに注目する。バケット６が空間領域「１」から空間領域「２」、空間領域「３」へ移動すると、馬力一定制御により、吐出圧力（作業負荷）が徐々に下がるにつれて吐出流量Ｑが増加するため、アタッチメントの動作スピードが速くなってしまう。

特にブーム上げ旋回動作や、ダンプ動作において、オペレータはバケット６の位置を微調整しつつ各動作を行う必要があるため、ポンプ馬力が大きいと操作性が非常に悪い。更にブーム上げ旋回動作や、ダンプ動作では、ポンプ馬力が小さくてもよいため、ＳＰモードのままであると、無駄な作動油が吐出されて燃費が悪い。

本実施形態の制御は、グラフ線Ｍに示す制御であり、端的に云うとアタッチメント姿勢追従型のポンプ馬力シフト制御である。つまり、バケット６が空間領域「１」にあるときには高いポンプ馬力となり、空間領域「２」にあるときには徐々に低いポンプ馬力となり、領域「３」にあるときには更に低いポンプ馬力となるようにする制御である。

具体的には、「フロント作業機の姿勢」としてのブーム４の姿勢（角度）の変化に伴って、バケット６が空間領域「１」から空間領域「２」、空間領域「２」から空間領域「３」へ移動したとしても、吐出流量Ｑが一定となるようにポンプ馬力を減少させる。このときエンジンの回転数は変化させず一定となるように制御する。

吐出流量Ｑが一定であるとアタッチメントのスピードが一定になるため、特にブーム上げ旋回動作や、ダンプ動作における操作性が飛躍的に向上する。また、ブーム上げ旋回動作や、ダンプ動作における吐出流量Ｑが従来（図示例の各グラフ線）に比して飛躍的に節約されて燃費が向上する。

ここで、図５を参照しながら、ブーム４の角度に応じて馬力を制御する処理について説明する。なお、図５は、メインポンプ１２Ｒ、１２Ｌのポンプ馬力の低減を開始するタイミングを説明するフローチャートである。図５のフローチャートは、深掘り掘削・積込み動作を行う場合の一例であり、作業モードは当初スピード・パワー重視のＳＰモードに設定されている（図４Ａのグラフ線ＳＰ参照。）。

コントローラ３０は、バケット角度センサＳ３で検出したバケット角度θの値に基づいて、バケット角度θが所定値θ_ＴＨ以下であるかを判定する（ステップＳＴ１）。これにより、コントローラ３０は掘削動作を終了したかを判定できる。

所定値θ_ＴＨは、例えば７０度に設定される。所定値θ_ＴＨは、作業内容に応じて任意に変更される。なお、バケット６を閉じる程、バケット角度θは小さくなる。バケット角度θが所定値θ_ＴＨを超えている場合、（ステップＳＴ１のＮＯ）、コントローラ３０は、バケット角度θが所定値θ_ＴＨ以下になるまでＳＴ１の処理を繰り返す。

バケット角度θが所定値θ_ＴＨ以下の場合、（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、ブーム角度センサＳ１で検出したブーム角度αの値に基づいて、ブーム角度αが所定の第１閾値α_ＴＨ１以上であるかを判定する（ステップＳＴ２）。ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１未満の場合、（ステップＳＴ２のＮＯ）、コントローラ３０は、処理をＳＴ１へ戻す。

第１閾値α_ＴＨ１は、例えば３０度に設定される。第１閾値α_ＴＨ１は、作業内容に応じて任意に変更される。

ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１以上である場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、動作区間が掘削動作区間からブーム上げ旋回動作区間に変化したと判定し、油圧アクチュエータの動きが徐々に遅くなるように、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのポンプ馬力を低減させる（ステップＳＴ３）。具体的には、コントローラ３０は、減圧弁５０Ｌ、５０Ｒでシフトさせた制御圧をレギュレータ１３Ｌ、１３Ｒに作用させる。レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒは、斜板傾転角を調整してメインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのポンプ馬力を徐々に低減させる。このとき、コントローラ３０は、メインポンプ１２Ｒ、１２Ｌの吐出流量Ｑが一定となるよう馬力を減少させている。

このように、コントローラ３０は、バケット角度θが所定値θ_ＴＨ以下で、且つ、ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１以上であると判定した場合、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのポンプ馬力を徐々に低減させる。すなわち、ブームシリンダ７や圧油回路全体を循環する作動油の流量を通常よりも減少させる。したがって、アーム５又はバケット６の迅速な動きが不要であるにもかかわらずアーム５又はバケット６を迅速に動作させてしまうことによる不要なエネルギー消費（例えば、燃料の消費である。）を抑制し、燃費を向上できる。なお、図５に示したフローチャートは、所定の制御周期で繰り返される。

ここで、図６を参照しながら、コントローラ３０がポンプ馬力を低減させる際のブーム角度α、吐出圧力Ｐ、ポンプ馬力Ｗ、吐出流量Ｑ、及び、バケット位置を含む空間領域の時間的推移について説明する。ブーム操作レバー（図示せず。）及びアーム操作レバー１６Ａのそれぞれのレバー操作量は一定である。また、ポンプ馬力の低減は、レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒを調節することによって実現される。図６では、吐出流量Ｑは、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのそれぞれの吐出流量を同時に示す。すなわち、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量は、同じ推移を辿る。

図６で示されるように、コントローラ３０は、時刻ｔ１において、ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１以上になると、掘削動作が終了しバケット位置が空間領域「２」に入っていると判定する。

その後、コントローラ３０は、レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒにより斜板傾転角を調整して、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量Ｑが一定となるよう（上がらないよう）に徐々にポンプ馬力を低減させる。このようにして、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのポンプ馬力Ｗが低減された結果、ブーム角度αの増大（開き）速度は、ポンプ馬力が低減されない場合に比べ低下する。

そして、時刻ｔ２、ｔ３に進行するにしたがって、すなわち、バケット６が空間領域「２」を経て空間領域「３」に移動するにしたがって、ポンプの吐出圧力Ｐは、Ｐ１からＰ２まで徐々に減少していく。また、ポンプ馬力Ｗも同様に、Ｗ１からＷ２へ徐々に減少していく。

本実施形態のショベルは、上記したように吐出流量Ｑを一定にしてポンプ馬力Ｗを徐々に減少させる制御を行う構成である。そのため、ブーム４を上昇させた場合に、ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１以上になった途端にアタッチメントの動作速度が増大して、操作者に違和感を抱かせてしまうのを防止できる。

時刻０～ｔ１の期間は、ブーム上げ動作区間に対応し、時刻ｔ１～ｔ２の期間はブーム上げ旋回動作区間（複合動作区間）に対応し、時刻ｔ２～ｔ３の期間はダンプ動作区間に対応している。

このように、本実施形態では、作業領域Ｎ内において、フロント作業機の姿勢に応じて油圧ポンプのポンプ馬力が制御される。これにより、本実施形態のショベルは、負荷（吐出圧力Ｐ）が減少しても、吐出流量Ｑが一定でアタッチメント（ブーム４）の動作スピードが増大しないため、従来のポンプ馬力一定制御の例えばＳＰモードで制御される場合に比して作業性と燃費が飛躍的に向上される。

コントローラ３０は、アタッチメントの動きが早くならないようにした後、図３（Ａ）に示すように再度、掘削動作が行われた場合、或いは、ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１より小さいと判定した場合に、アタッチメントの動作速度を元の状態に戻すようにしてもよい。また、フロント作業機の姿勢検出としてブーム４の操作量を用い、動作区間の変化を判断してもよい。この場合、ブーム操作量を最大にした状態の継続時間に基づいて掘削動作区間からブーム上げ旋回動作区間への変化を判断する。

次に、別の実施形態に係るショベルを説明する。別の実施形態は上述の実施形態と同様の技術的思想に基づいており、以下その相違点のみを説明する。図７は別の実施形態に係るショベルにおける制御の概要を説明する。

図７の制御は、基本的には図４で説明した制御と同様であり、以下、重複する説明は省略する。別の実施形態においても、アタッチメント姿勢追従型のポンプ馬力シフト制御である点は同じである。

図４に示した制御は、アタッチメントの姿勢によってバケット位置が空間領域「１」から空間領域「２」、空間領域「２」から空間領域「３」へ移動したとしても、吐出流量Ｑが一定となるよう（変化しないように）にポンプ馬力を徐々に低減させる。このとき、エンジンの回転数は変化させない。

一方、図７に示した制御は、アタッチメントの姿勢によってバケット位置が空間領域「１」から空間領域「２」、空間領域「２」から空間領域「３」へ移動したとしても、吐出流量Ｑが一定となるようにエンジン１１の回転数を徐々に低減させる制御である。

このように、別の実施形態に係るショベルは、エンジン１１の回転数を低減させることによってアタッチメント（アーム５又はバケット６）の動きが早くならないようにする点で、レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒの調節を利用する上述の実施形態に係るショベルと異なるが、その他の点で共通する。

したがって別の実施形態においても、吐出流量Ｑが一定でアタッチメント（ブーム４）の動作スピードが一定となるため、作業性と燃費が飛躍的に向上される。

次に、図８及び図９を参照しながら、本発明の更に別の実施形態に係るショベルについて説明する。

この実施形態は、図３に示す「深掘り掘削・積込み動作」ではなく、浅掘り掘削・積込み動作等の「通常の掘削・積込み動作」における制御を特長としている。

この実施形態においても、上述の２つ実施形態と略同様の構成と基本制御思想が利用されており、重複する説明は省略される。

先ず、この実施形態の「通常の掘削・積込み動作」について詳しく説明する。

図８（Ａ）～図８（Ｄ）は、掘削動作が行われている状態を示す。更に別の実施形態の掘削動作は図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の掘削動作前半と、図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）の掘削動作後半とに分けられる。

図８（Ａ）の斜線領域は、アタッチメントの作業領域Ｎを表わす。作業領域Ｎは、上部領域Ｎｕｐと先端領域Ｎｏｕｔとを除いたエンドアタッチメントの存在領域を指す。

上部領域Ｎｕｐは、例えば、ブーム角度αが最大角度から１０度以内のときのエンドアタッチメントの存在領域として定められる。

先端領域Ｎｏｕｔは、例えば、ブーム角度αが閾値以上であり、且つ、アーム角度βが最大角度から１０度以内のときのエンドアタッチメントの存在領域として定められる。したがって、コントローラ３０は、バケット６が作業領域Ｎ内にあるか否かはブーム角度とアーム角度から判断できる。

図８（Ａ）に示すように、ブーム角度αが所定の閾値α_ＴＨ３より大きい場合、ショベルは、通常の掘削動作が行われていると判定する。そして、オペレータはバケット６の先端が掘削対象に関して所望の高さ位置に来るにように位置決めし、図８（Ｂ）に示すようにアーム５を開いた状態からアーム５が地面に対して略垂直になる角度（約９０度）まで閉じる。この動作により、ある程度の深さの土が掘削され、アーム５が地表面に略垂直になるまでに、領域Ｄにおける掘削対象がかき寄せられる。以上の動作を掘削動作前半と称し、この動作区間を掘削動作前半区間と称する。また、図８（Ｂ）のアーム５の角度を第２閾値β_ＴＨする。第２閾値β_ＴＨは、アーム５が地面に対して略垂直になるときのアーム角度であってよい。掘削動作前半区間に必要とされるポンプ馬力は低い。

図８（Ｃ）に示すように、オペレータはアーム５を更に閉じて、領域Ｄαにおける掘削対象をバケット６により更にかき寄せる。そして、バケット６を上縁が略水平となるまで（約９０度）閉じて、かき集めた掘削土をバケット６内に収納し、ブーム４を上げてバケット６を図８（Ｄ）に示す位置まで上げる。図８（Ｄ）に示すブーム４の角度を「α_ＴＨ２」と表記する。以上の動作を掘削動作後半と称し、この動作区間を掘削動作後半区間と称する。掘削動作後半区間は高いポンプ馬力を必要とする。図８（Ｃ）の動作は、アーム５とバケット６との複合動作であってよい。このように、コントローラ３０は、フロント作業機の姿勢に基づき、動作区間が掘削動作前半区間から掘削動作後半区間に変化したと判定する。また、フロント作業機の姿勢検出としてアーム５の操作量を用い、動作区間の変化を判断してもよい。この場合、アーム操作量を最大にした状態の継続時間に基づいて掘削動作前半区間からブーム上げ掘削動作後半区間への変化を判断する。

浅掘り掘削・積込み動作等の通常の掘削・積込み動作においては、アーム角度が第２閾値β_ＴＨ未満のときと、第２閾値β_ＴＨ以上のときとで、必要となるポンプ馬力が異なる点が上述の実施形態と相違している。したがって、この実施形態では、「フロント作業機の姿勢」としてのアーム５の姿勢（角度）が、第２閾値β_ＴＨ未満となる場合に、ポンプ馬力を増加させる。また、この実施形態では、図１～図７で説明した「フロント作業機の姿勢」としてのブーム４の姿勢（角度）に応じたポンプ馬力の制御も行なわれる。

次に、オペレータは、バケット６の上縁を略水平にした状態で、図８（Ｅ）に示すようにバケット６の底部が地面から所望の高さとなるまでブーム４を上げる。所望の高さは例えばダンプの高さ以上の高さである。ブーム角度αが第１閾値α_ＴＨ１以上になると、コントローラ３０は、動作区間が掘削動作区間からブーム上げ旋回動作区間に変化したと判定し、油圧アクチュエータの動きが徐々に遅くなるように、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒのポンプ馬力を低減させる。オペレータは、これに続いて、あるいは同時に、上部旋回体３を矢印ＡＲ３で示すように旋回させ、排土する位置までバケット６を移動させる。ブーム上げ動作の初期は比較的高いポンプ馬力が必要とされ、その後に続くブーム上げ旋回においては、徐々に低いポンプ馬力となるポンプ馬力制御が必要とされる。

オペレータは、ブーム上げ旋回動作を完了させると、次に、図８（Ｆ）に示すようにアーム５及びバケット６を開いて、バケット６内の土を排出する。このダンプ動作では、バケット６のみを開いて排土してもよい。ダンプ動作区間に必要とされるポンプ馬力は低い。

オペレータは、ダンプ動作を完了させると、次に、図８（Ｇ）に示すように、上部旋回体３を矢印ＡＲ４で示すように旋回させ、バケット６を掘削位置の真上に移動させる。このとき、旋回と同時にブーム４を下げてバケット６を掘削対象から所望の高さのところまで下降させる。ブーム下げ旋回動作区間に必要とされるポンプ馬力は、ダンプ動作区間に必要とされるポンプ馬力より更に低い。その後、オペレータは、図８（Ａ）に示すようにバケット６を所望の高さまで下降させ、再び掘削動作を行う。

オペレータは、「掘削動作前半」、「掘削動作後半」「ブーム上げ旋回動作」、「ダンプ動作」、及び「ブーム下げ旋回動作」で構成されるサイクルを繰り返しながら、「通常の掘削・積込み動作」を進めていく。このように、更に別の実施形態では、作業領域Ｎ内において、フロント作業機の姿勢に応じて油圧ポンプのポンプ馬力が制御される。

作業領域Ｎは、「掘削動作前半」、「掘削動作後半」、「ブーム上げ旋回動作」が行われるときにバケット６が存在する領域を含んでいる。作業領域Ｎはキャビン１０の形状又は油圧ショベルの機種（サイズ）等に応じて予め設定される。

ここで、図９を参照しながら、アーム５の角度とブーム４の角度に応じてポンプ馬力を制御する処理について説明する。図９はコントローラ３０がポンプ馬力Ｗを制御する際のポンプ馬力Ｗの時間的推移を示している。ブーム操作レバー（図示せず。）及びアーム操作レバー１６Ａのそれぞれのレバー操作量は一定である。

図９におけるポンプ馬力Ｗの時間的推移は、基本的に図６に示したポンプ馬力Ｗの時間的推移と略同様であるが、掘削動作前半と掘削動作後半で異なる。また、作業モードは、当初、燃費優先のＨモードに設定されている（図４Ａのグラフ線Ｈ参照。）。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示したようにアーム５を開いた状態から地面に対して略垂直になる角度まで閉じる掘削動作前半において、ポンプ馬力は低いポンプ馬力Ｗ２に制御されている。

コントローラ３０は、時刻ｔ１において、アーム角度βが第２閾値β_ＴＨ未満であると判定する。なお、アーム５を閉じる程、アーム角度βは小さくなる。その後、コントローラ３０は、レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒにより斜板傾転角を調整してポンプ馬力を変更し、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量を上げて徐々にポンプ馬力Ｗ１へ増加させる。第２閾値β_ＴＨは、例えば、図８（Ｂ）に示すようにアーム５が地面に対して略垂直になる角度（水平面に対するアーム５の角度が例えば９０度±５度となるときのアーム角度）である。

コントローラ３０は、時刻ｔ２において、ブーム角度αが所定値α_ＴＨ２以上であることを判定する。所定値α_ＴＨ２は、図８（Ｄ）に示すように、ブーム４が最も降下した状態におけるブーム角度より所定角度（例えば３０度）だけ大きい値である。

コントローラ３０は、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量Ｑが一定となるよう（上がらないよう）に徐々にポンプ馬力を低減させる。

コントローラ３０は、時刻ｔ２からｔ３に進行するにしたがって、ポンプ馬力ＷをＷ１からＷ２まで徐々に減少させる。ここでは、ブーム角度αに基づき、時刻ｔ２において、ポンプ馬力低減の切替え判断を行ったが、アーム角度βに基づき、ポンプ馬力低減の切替え判断を行うようにしてもよい。掘削後半では大きなポンプ馬力が必要であるが、作業場の状況によっては、アーム角度βが閉じた状態からは大きなポンプ馬力が不要になる場合もある。このような場合には、アーム５の姿勢（角度）が、「第３閾値」としての所定値β_ＴＨ２（例えば、最大角度から１１０度を差し引いた角度）未満となる場合に、ポンプ馬力を低減させる制御を行ってもよい。

コントローラ３０は、時刻ｔ３において、レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒにより斜板傾転角を調整してポンプ馬力を変更し、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量を上げてポンプ馬力Ｗをポンプ馬力Ｗ２からポンプ馬力Ｗ２ｈへ増加させる。時刻ｔ３は、図８（Ｆ）に示すダンプ動作が開始されるタイミングである。

コントローラ３０は、時刻ｔ４において、レギュレータ１３Ｌ、１３Ｒにより斜板傾転角を調整してポンプ馬力を変更し、メインポンプ１２Ｌ、１２Ｒの吐出流量を下げてポンプ馬力Ｗをポンプ馬力Ｗ２ｈからポンプ馬力Ｗ２ｌへ低減させる。時刻ｔ４は、図８（Ｇ）に示すブーム下げ旋回動作が開始されるタイミングである。

このとき、図７に示したように吐出流量Ｑが一定となるように、エンジン１１の回転数を徐々に減少させる制御を実施してよい。

したがって、本実施形態では、負荷（吐出圧力Ｐ）が減少しても、吐出流量Ｑが一定でアタッチメントの動作スピードが一定となるため、作業性と燃費が飛躍的に向上される。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更等が可能である。

また、本願は、２０１６年１月２８日に出願した日本国特許出願２０１６－０１４７２７号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。

１・・・下部走行体 ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １２Ｌ、１２Ｒ・・・メインポンプ １３Ｌ、１３Ｒ・・・レギュレータ １４・・・パイロットポンプ １６・・・操作装置 １６Ａ・・・アーム操作レバー １７Ａ・・・圧力センサ １８ａ・・・ブームシリンダ圧センサ １８ｂ・・・吐出圧センサ ５０Ｌ、５０Ｒ・・・減圧弁 ２０Ｌ、２０Ｒ・・・走行用油圧モータ ２１・・・旋回用油圧モータ ３０・・・コントローラ ４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路 １５０～１５８・・・流量制御弁 Ｓ１・・・ブーム角度センサ Ｓ２・・・アーム角度センサ Ｓ３・・・バケット角度センサ

Claims (9)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、
   動力源と接続された油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプからの作動油で駆動するブーム、アーム、及びエンドアタッチメントを含むフロント作業機と、
   前記フロント作業機の姿勢を検出するフロント作業機姿勢検出部と、
   前記フロント作業機姿勢検出部の検出値に基づいて、上部作業領域及び先端作業領域で囲まれる作業領域内における前記フロント作業機の姿勢に応じて掘削動作の後半、若しくは、掘削動作後のブーム上げ動作にて、掘削動作の前半よりも前記油圧ポンプの馬力を増加させる制御をする制御部とを有することを特徴とするショベル。
2. 前記フロント作業機姿勢検出部は、前記ブームの角度を検出するブーム角度センサを有し、
   前記制御部は
   前記ブームの角度が第１閾値以上の場合に、更に前記油圧ポンプの増加した馬力を低減させることを特徴とする請求項１に記載のショベル。
3. 前記フロント作業機姿勢検出部は、前記アームの角度を検出するアーム角度センサを有し、
   前記制御部は
   前記アームの角度が第２閾値未満の場合に、掘削動作の後半であるとして、前記油圧ポンプの馬力を増加させることを特徴とする請求項１に記載のショベル。
4. 前記フロント作業機姿勢検出部は、前記アームの角度を検出するアーム角度センサを有し、
   前記制御部は
   前記アームの角度が、掘削後半における第３閾値未満の場合に、更に前記油圧ポンプの増加した馬力を低減させることを特徴とする請求項１に記載のショベル。
5. 前記制御部は、
   レギュレータを調節することによって、前記油圧ポンプの馬力を制御することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
6. 前記制御部は、
   前記動力源の回転数を変更することによって前記油圧ポンプの馬力を制御することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
7. 前記制御部は、作業領域内における前記フロント作業機の姿勢に基づいて動作区間が変化したかを判定することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
8. 前記フロント作業機姿勢検出部は、前記フロント作業機を撮影するカメラにより撮影された画像により、前記フロント作業機の姿勢を検出することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
9. 前記フロント作業機の姿勢に基づき、深掘り掘削動作が行われているか、通常の掘削動作が行われているかを判定することを特徴とする請求項１に記載のショベル。

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